變頻器調速加載系統在新能源汽車電機試驗臺架上的應用

摘要：針對新能源汽車電機試驗臺架在試驗過程中轉速控制易受到變頻器控制不穩定影響，導致新能源汽車電機轉速測試不準確的問題，提出了一種新的變頻器調速加載系統，并對其在新能源汽車電機試驗臺架上的應用進行了研究。通過變頻器選型和變頻器調速加載控制器設計，完成系統的硬件搭建，結合系統的軟件設計，實現變頻器調速加載系統在新能源汽車電機試驗臺架上的有效應用。試驗結果表明，所提出的變頻器調速加載系統在新能源汽車電機轉驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為85.1%，比傳統變頻器調速加載系統的穩定性更好，效率更高。

關鍵詞：變頻器;調速加載系統;新能源汽車;電機轉速;試驗臺架

0 引言

新能源汽車電機試驗是新能源汽車開發與電機轉速檢測過程中的一個重要環節[1]。目前新能源汽車電機試驗基本上都是采用計算機仿真和道路真實試驗的方式，計算機仿真主要借助有關計算軟件，模擬新能源汽車的實際駕駛情況，主要步驟是建立新能源汽車駕駛模型，駕駛模型建立的準確性決定著仿真結果的可靠性和真實性。針對不同類型的新能源汽車要建立不同的駕駛模型，所以對電機試驗人員的專業素質要求相對較高[2]。道路真實試驗容易受到自然環境條件的限制，需要專業的試驗場地以及與試驗相適應的天氣條件，同時外界因素也會給電機轉速試驗帶來很多不確定因素，甚至會影響新能源汽車的研制進度[3]。

新能源汽車電機試驗臺架不受外界自然環境條件的限制，新能源汽車的零部件布置也不會受到車體總體布置的限制，可以為不同的新能源汽車電機、控制器以及發動機等提供可靠的試驗環境，以評估新能源汽車各零部件的性能[4]。基于以上分析，本文設計了一種變頻器調速加載系統，并將其應用到新能源汽車電機試驗臺架上，從而提高變頻器調速加載系統的穩定性。

1 變頻器調速加載系統硬件設計

1.1 ? 變頻器選型

根據新能源汽車電機試驗臺架的實際需要，本文選用IGBT作為變頻器的功率變換單元，其主回路設計方案如圖1所示。從IGBT功率模塊的設計可以看出，調速加載系統可以實現電流的反向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高性能的控制器做閉環控制，可以精確控制目標值。另外，變頻器調速加載系統在消除饋電諧波的同時，可以保證與電網同步，實現高品質饋電，將加載產生的能量實現高效率再利用，達到節能、環保的效果。

1.2 ? ?變頻器調速加載控制器設計

變頻器調速加載控制器是專門為新能源汽車電機試驗臺架設計的，由于新能源汽車電機試驗的環境需要考慮多種因素，還要考慮系統的快速響應需求和通用性等，對變頻器調速加載控制器的設計要求很高[5]。變頻器調速加載控制器結構如圖2所示。

變頻調速器通常有4種控制方式：

（1）頻率控制方式（開環轉速），變頻調速器輸出目標頻率，默認系統能夠按照設計指標達到目標頻率，即達到目標轉速。

（2）轉矩控制方式（開環矢量[6]），此時變頻器需選擇無速度傳感器矢量控制，電流環也稱為轉矩環。

（3）閉環速度控制方式，速度、轉子位置可以通過速度反饋傳感器直接測量，所以速度控制的精度和響應速率遠遠超過開環矢量控制。

（4）閉環轉矩控制方式，為防止超速，并且更為精確地計算電流，在轉矩控制方式下增加了轉速反饋，這是一種增強型的轉矩控制模式，此時速度環只起到限制最大速度的作用，電流環依然起主導作用。

在新能源汽車電機試驗過程中，控制目標會在轉速和轉矩之間切換，如果通過切換變頻調速器的控制方式來切換控制目標，那么對變頻調速器的給定劇烈變化會造成不可避免的擾動。在傳統試驗臺上，切換控制方式前，首先停止系統運行，切換完成后，以新的控制方式啟動，這種方式不能滿足新的試驗要求，并且嚴重降低試驗效率。為此，變頻器調速加載控制器采集實際轉速，替代了轉速和轉矩兩種閉環控制方式，設置變頻調速器頻率的給定方式始終為轉矩，將變頻調速器設置為單一轉矩控制方式。切換控制目標時，變頻器調速加載控制器在算出新的PID運算給定值前，保持上個給定值，這樣可以在試驗中連續切換控制方式，并能維持系統穩定。

變頻器調速加載控制器主機使用通用工業控制計算機，可以節省專用的控制器[7]，并且可靠性高，帶有與其他外部設備連接的多種接口，擴展性強。在轉速采集上，采用美國國家儀器有限公司National Instruments（NI）的C系列模塊NI9411配合高性價比CDAQ 9171底座，NI9411是高速頻率采集模塊，采集頻率高達30 MHz，能夠實現20 000 r/min的轉速采集。變頻調速器給定值采用模擬量，接口模塊為NI9264，給定范圍-10～10 V，對應轉矩-100%～100%。NI9264分辨率為16位，能夠保證給定反饋傳感器重復性參數數值穩定，提高系統穩定性。

2 變頻器調速加載系統軟件設計

變頻器調速加載系統軟件采用Labview進行設計。人機界面即前面板，如圖3所示，帶有轉速、轉矩等實際值顯示窗口以及控制方式切換、目標值設定、數據記錄等按鍵。首先，使用NImax軟件設計NImax任務，包括NI9411的頻率采集以及模擬量輸出任務，這些就是I/O資源的調用接口。在軟件主程序工作時，調用這些任務配合初始化的配置，得到采集實際值與給定值，在同為NI公司的Labview軟件中調用NImax任務，非常高效快捷。

用戶進入系統軟件，首先進行初始化，讀取轉速傳感器設置、給定分辨率等配置文件，判斷沒有錯誤后進入主程序While循環。運行時，人工單擊人機界面輸出運行開關量后，等待系統實際運行狀態判斷，如果新能源汽車電機和變頻調速器的運行標志位都為1，則確認系統已經運行，PID控制開始運行。在單一加載狀態下，還需要加入低轉速的判斷限幅，如果轉速低于判斷限值，PID控制不運行。軟件中將PID運算設置為定時循環，輸出周期為10 ms，這樣高頻率的控制刷新能夠極大地減小轉速波動。在系統運行過程中，通過監視各個標志位，判斷是否應該停機。

標志位定義如表1所示。

對配置文件的操作要在系統停止時操作，配置文件中包含工程量變換、轉速傳感器分辨率設置等，在系統運行中操作會引起實際參數和給定值的突變，引發故障停機。窗口的操作通過前面板的按鍵執行，按鍵按下，進入到對應的事件結構，在事件結構中處理目標操作，如果按鍵操作沒有觸發停止，那么PID控制的定時循環優先級高于其他事件的操作，持續輸出給定值，能夠保證PID控制穩定。變頻器調速加載系統流程如圖4所示。

3 試驗分析

為了驗證變頻器調速加載系統在新能源汽車電機試驗臺上的應用適應性，本文采用傳統變頻器調速加載系統作為對比對象，測試了變頻器調速加載系統的100 h無擾動運行完成試驗率，測試結果如表2所示。

從表2的測試結果可以看出，將傳統變頻器調速加載系統應用到新能源汽車電機試驗臺架上時，傳統變頻器調速加載系統使用變頻器的轉速、轉矩閉環控制方式，導致系統在新能源汽車電機試驗臺架上的應用穩定性較差，為提高穩定性而頻繁停機降低效率，單位時間內完成的有效試驗時間較短。經計算，10次試驗中，傳統變頻器調速加載系統在新能源汽車電機試驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為40.7%。本文提出的變頻器調速加載系統不僅在硬件部分上進行了設計，還設計了變頻器調速加載流程，使其在新能源汽車電機試驗臺架上的應用更加穩定。經計算，10次試驗中，本文提出的變頻器調速加載系統在新能源汽車電機轉驗臺架上的100 h無擾動運行完成試驗率為85.1%。由此可知，將本文提出的變頻器調速加載系統應用到新能源汽車電機試驗臺架上的穩定性更好。

4 結語

本文提出了一種變頻器調速加載系統，介紹了該加載系統的軟硬件設計要點，并將其應用在新能源汽車電機轉驗臺架上，結果顯示，該系統在新能源汽車電機試驗臺架上的應用穩定性更好，效率更高。

[參考文獻]

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[6] 曹海洋，沈建輝，王宏震，等.基于EMI濾波器的防爆變頻調速系統EMI抑制[J].電氣傳動，2015，45（5）：51-55.

[7] 陳辛波，王威，楊陽，等.硬點可調式懸架垂向加載試驗臺的分析設計[J].汽車工程，2017（6）：689-697.

收稿日期：2020-09-07

作者簡介：趙大為（1981—），男，吉林省吉林市人，工程師，從事內燃機試驗臺架、變速箱等各種動力系統和傳動系統的測試設備研發工作。